中浅地层剖面质量改进方法及应用

陶 华，李彦杰

（中海油田服务股份有限公司，天津 300459）

中浅地层剖面质量改进方法及应用

陶 华，李彦杰

（中海油田服务股份有限公司，天津 300459）

海洋工程勘察中，中浅地层剖面是一种应用广泛的调查设备，其具有便携性、高效率、高主频和高分辨率的特点。实际调查中，随机噪音、多次波等问题严重降低了地层剖面资料的信噪比和分辨率，同时，现场作业对海况的依赖性很强。文中从中浅地层剖面的野外采集设备和室内资料处理方面分析，提出立体震源、多道接收系统、带通滤波、预测反褶积和相关滤波等方法。立体震源拓宽了地层剖面资料的频带，获得了更深的剖面和更高的分辨率；多道接收系统使中浅地层剖面数据由单道变为多道，有利于室内资料处理；对于目前主流的单道中浅地层剖面数据，首先要识别噪音的来源和特征，再通过增益、带通滤波、涌浪校正，预测反褶积等方法来处理，最后获取的高质量地层剖面资料一定是各种方法的综合使用和多次试验的结果。

中浅地层剖面；随机干扰；涌浪校正；带通滤波；预测反褶积；相关滤波

电火花地层剖面系统是一种最常见的中浅地层剖面系统，有高便携性、高效率、高主频和高分辨率的特点，在国内外海洋工程勘察领域得到了广泛的应用。利用电火花剖面系统可获得海底以下几米至几百米的地层剖面数据，用于识别埋藏古河道、断层、浅层气(水)、滑坡、硬地层等不良地质特征，为海上工程建设服务。电火花剖面系统作业时，震源和水听器缆近似漂浮于海面，地层剖面数据易受干扰，且在单道检波器接收的情况下无法采用多道地震中的叠加处理及其他有效方法来降低噪音干扰，地层剖面数据受噪音干扰比较严重，作业受天气和海况的限制较大。为降低作业对海况的依赖程度，提高解释资料的信噪比和分辨率，获得高质量的资料，既要提升野外采集设备的性能，又要在资料处理过程中采取有效方法降噪。

中浅地层剖面系统虽然在海洋工程勘察领域内得到了广泛的应用，但对于其资料的处理研究并不多。主要原因在于其应用领域较窄，限于海洋工程勘察，无法与钻井和油气勘探相比；中浅地层剖面等同于自激自收剖面，常规情况下，原始记录经过简单处理就基本能满足要求，外部动力不足。但是，随着国内海上工程走向深水、走向更复杂区域，对海洋工程勘察的要求不断提高，中浅地层剖面必须能够提供更高质量的地层资料，做更精细的处理，才能满足需要，为海上工程、设施的安全保驾护航。

1 影响中浅地层剖面数据质量的因素

1.1 中浅地层剖面仪工作原理

电火花地层剖面是使用频率较高的一种中浅地层剖面系统。本文以电火花地层剖面系统为例进行分析。电火花震源是利用电容器充电后电极在水中瞬间导通，电流的突然放电来激发声脉冲。充电高压电容器对水中电极间隙脉冲放电有电弧和电晕两种放电形式。现在海洋电火花震源采用电晕放电方式[1]。电火花剖面系统由固体脉冲电源、多极震源架、水听信号缆和采集记录系统组成。作业时震源架向海底发射声波脉冲，水听器信号缆接收海底以下地层反射的声波信号，并记录在系统中形成声学地层剖面，见图1。

图1 电火花地层剖面作业示意图

目前，主流的电火花剖面系统脉冲电源箱有英国 AAE(Applied Acoustic Engineering)公司的 CSP系列、荷兰GEO(GEO Marine Survey Systems BV)公司的Geo-Spark系列；水听信号缆有SIG16系列、AAE20系列、Geo-Sense系列；采集记录系统有Mini-Trace II单道数据采集器等。中海油田服务股份有限公司很早就引进了CSP1500、CSP2200和GEO-Source800系列，主要指标见表1～表2。

图2 反射波示意图

表1 主流脉冲电源箱主要指标

表2 主流水听器信号缆主要指标

1.2 影响因素分析

电火花地层剖面的噪音是多种多样的，声波在水中传播时，传播路径的不同会出现直达波、鬼波（虚反射）、多次波、鸣震、绕射波等噪音[2]，见图2。作业中接收电缆还受涌浪、船舶尾流、机械振动等影响。电火花地层剖面记录中的噪音是指除海底以下地层的一次反射波外的其它任何信号。根据噪音的形成机理，分为随机噪音和相干噪音：随机噪音在观测范围内随机出现，没有统一规律，分布比较均匀，频带宽，是地震记录中的主要干扰背景；相干噪音在时间上存在明显的规律性，具有运动学特征，由震源或次生震源形成，包括直达波、多次波、绕射波或面波等[3]。

1.2.1 随机噪音 随机噪音主要包括洋流波浪噪音、船舶噪音等，其中海浪引起噪音既有低频的线性干扰，也有宽频的随机干扰，见图3。海洋工程勘察以调查船为载体，船舶及船载设备产生的噪音贯穿整个调查过程，不同船型、船速以及不同海况引起的背景噪音对剖面记录的影响不同。调查船拖曳震源和水听器电缆进行走航式观测，波浪、涌浪、海流以及航行导致的接收电缆与海水的相对运动也会形成噪音。船舶噪音一般低于200 Hz。图3为Kingdom.SMT软件显示的宽频随机噪音，由图可见，船舶等背景噪音显示是杂乱无章的，无法从中识别出海底和海底以下地层信息，说明背景噪音的随机性强，但穿透性很弱。

图3 宽频随机噪音

1.2.2 设备互扰噪音 海洋工程勘察作业时，为了追求经济性和时效性，电火花地层剖面常与浅地层剖面（Chirp）、侧扫声纳、单波束测深仪和多波束测深仪同时作业。同时作业的设备之间易形成相互干扰，其中既有频率干扰，也有电磁干扰。而声波作为海水中唯一能有效传递信息的载体，其频谱资源非常有限，声纳探头的相对带宽较宽，这就使声学干扰极易出现。某一声纳探头工作时发射的声波被其它处于接收时段声纳探头接收，就形成了设备互扰噪音。

表3 频率域

由表3可知，频率域上浅剖（chirp）和电火花剖面系统最接近，最有可能相互干扰，实际情况也是如此。某海洋工程勘察专业船（称为“X船”），X船船底安装Ixsea ECHOES 3500高分辨率浅层剖面系统，电火花剖面系统为Geo-Source 800，两者同时作业时，浅剖对电火花资料存在明显的干扰。图4为现场采集的电火花地层剖面资料中分布“斜纹”状的噪音干扰，根据对比试验知，“斜纹”状噪音来自Ixsea ECHOES 3500浅剖系统。

图4 浅地层剖面仪干扰电火花地层剖面资料

1.2.3 鬼波（虚反射） 海面是空气和水的分界面，空气和水的波阻抗相差很大，使得海面成为一个强反射界面，反射系数近似为“-1”。震源激发产生的声波或由海底反射的声波到达海面时，就会发生反射，相位也发生反转。这个被海面反射回来的声波称为鬼波（见图2），分为“震源鬼波”和“检波器鬼波”。由于鬼波的影响，地层剖面资料的频谱上周期性出现了一系列陷波点，限制了有效频带的宽度，损失了一部分有意义的低频信息和高频信息。陷波点在频谱上出现的位置只与震源和拖缆的沉放深度有关。震源和拖缆的沉放深度越大，第一个非零陷波点出现的频率值就越小；震源和拖缆的沉放深度越小，第一个非零陷波点出现的频率值就越大。另外，震源和拖缆的沉放深度越大，陷波点在频谱上出现地就越频繁，即陷波点出现的周期就越小，陷波点的个数就越多，这样对频带宽度的影响也就越大[4]。图5为X船在东海某区域（水深约100 m）作业时的电火花资料频谱图，可见明显的陷波点，限制了电火花资料的频谱宽度。

图5 陷波影响的振幅频谱图

图6 带通滤波图

1.2.4 多次反射 海洋浅水环境中，电火花地层剖面中存在大量海底多次波，多次波的类型有短周期的表层多次波，也有长周期的全程多次波。交混回响多次波是海面与海底之间来回震荡产生的，具有明显的周期性，其周期长度近似为海底时间。这些短周期多次波覆盖了整个剖面。多次波的周期性较强，在剖面上常常出现二次、三次，甚至更高次反射波。在斜坡附近或者深部地层与海底不平行的位置，往往出现多次波与一次有效波斜交现象。识别多次波的方法主要利用其周期性以及多次波与一次波斜交的特征，在剖面上直接观察估计，通过相关分析准确计算其周期性。

2 提升中浅地层剖面质量的方法及应用

2.1 野外采集技术

为获得高质量的中浅地层剖面资料，野外采集设备的升级是一个重要手段。

2.1.1 立体震源 震源设备由平面震源升级为立体震源。在油气勘探中，为了解决震源端产生的鬼波等问题，采用上／下源组合的思想来设计震源。立体震源的思想也被引进了海洋工程勘察领域，相比于平面震源，立体震源可以更好地压制鬼波（虚反射）引起的陷波效应，拓宽频带的宽度，提高子波质量，并通过立体阵列延迟激发技术进一步压制震源引起的虚反射。图7为最新的电火花立体震源架。双/三层震源架，采取交替触发的模式，上层提供高频能量，增加分辨率，下层提供低频能量，保证穿透率。配合倾斜式水听器信号缆，可有效降噪，并获得更宽的频谱。

图7 立体震源和多道电缆

2.1.2 多道轻型高分辨率信号缆 水听器信号缆由单道升级为24～48道，见图7。实践证明，多道地震通过多次叠加技术，有利于消除多次波，提高空间分辨率。多道地震地层连续性好，数据短点清晰，地层接触关系明确，信噪比高，深部构造呈像分辨率高，相比单道地震信噪比和精度都高。随着技术发展，电火花水听器信号缆也可实现多道技术，小道距高分辨率多道技术具有排列短、炮间距小、频率高的特点。图8即为24道电缆采集的某工区电火花地层剖面资料后处理成果，工区水深15 m，发射能量1 000 J，图中多次波等干扰被压制，海底地层层位清晰。

图8 多道地震资料

2.2 室内处理方法

目前，行业主流电火花地层剖面为单道，室内处理方法的改进是提高中浅地层剖面质量的关键。

2.2.1 涌浪校正 拖曳于船尾的震源和水听信号缆不可避免的受涌浪影响。涌浪较大时，电火花地层剖面中的反射波同相轴发生起伏，海底失真。但是，在资料解释前必须还原真实的海底及海底以下地层的信息，改善成像质量。因此，必须通过涌浪校正，改善地层反射同向轴抖动的现象。在Kingdom.SMT软件中，对涌浪影响较大的测线进行海底拉平，通过设置辅助线的方式，人工消除涌浪起伏引起的地层“假起伏”，还原真实的地层。图9的工况：X船在南海流花区块采集的中浅地层资料，水深约400 m，采集系统 GEO-Source800，涌浪 1.5～2.0 m。如图可见涌浪校正后地层反射轴更加清晰，资料辨识度显著提高。

图9 涌浪校正前后

2.2.2 增益 声波在地层传播过程中，能量不可逆转地消耗，振幅产生衰减，随着声波传播的深度增加，能量也随之迅速衰减。这时需要将采集的资料进行自动增益处理（AGC），浅部和深部采用不同的倍数增益，深部地层增益大于浅部，提高成像质量。图10即为增益前后资料对比。

图10 增益前后

2.2.3 带通滤波 带通滤波是指通过某一频率范围内的频率分量，并将其他范围的频率分量衰减到很低的水平，见图11。对于频率域上有明显差异的噪音，可以通过带通滤波的方法削弱噪音。低频背景噪音和设备之间的噪音一般通过此法压制噪音干扰。采用带通滤波不可避免的导致高低频成分的丧失，因此，选择滤波参数时应尽可能多的保留有效信号为原则[5]。

带通滤波的前提是获得船舶等背景噪音的声学特征和频谱范围，不同船舶、海况和设备的噪音是不一样的。野外作业可以采用“只记不发”和“控制变量”实验的方式采集背景噪音资料，进行频谱分析。“只记不发”就是利用水听器信号缆宽频接收的特性，震源不激发，只记录噪音的信号，以此来分析噪音的频谱，为滤波处理提供依据。“控制变量”实验即一个现象如受多个变量因素影响，只改变其中一个变量，而保持其它变量不变的实验方式。

可以采用带通滤波法降低干扰的不止船舶等环境噪音。同时作业的设备主频差距较大时，带通滤波也是一个不错的降低干扰的方法。图11为X船采集的电火花地层剖面原始记录波形图，水深约400 m，海况较好，浅地层剖面仪和电火花地层剖面仪同时工作，浅剖系统是Ixsea ECHOES 3500，电火花剖面系统Geo-Source 800。带通滤波后的记录中浅剖的噪音干扰明显降低。浅层剖面系统的主频3500Hz，而电火花震源的有效频率范围500～2000Hz，两者在频域上可以分开，故可利用频率特性差异来选择频域滤波参数，最大限度地保留有效信号。图11采用滤波参数：低切200 Hz、低通300 Hz、高通1 680 Hz、高切 1 800 Hz。

图11 原始记录波形图带通滤波前（左）和滤波后（右）

根据野外实验分析，随着水深增加，Ixsea ECHOES 3500发射能量提高，电火花地层剖面记录中的干扰也随之增强。船舶等低频背景噪音也可采用带通滤波的方法压制。

2.2.4 预测反褶积（模型拟合法） 预测反褶积法是使用预测的方法，根据地震记录一次反射和干扰信息预测出纯干扰部分，得到消除干扰后的一次反射信号，以消除一次反射受到的海上鸣震等多次波的干扰[6]。

预测反褶积法压制短周期多次波，是利用多次波的周期性，通过相关函数从初始到达的有效反射中预测出多次波。预测反褶积方法假定反射系列是互不相关的，非周期性的，不可预测的，而多次波具有周期性和可预测性。利用相关函数从初始到达的有效反射预测出多次波，再从记录的一次反射和多次波干扰的信息中预测出纯干扰部分并减去。预测反褶积是一种比较常用且效果较好的压制多次波的方法，但取得良好压制效果的前提是选择合适的预测参数，预测反褶积的主要参数包括算子长度和预测步长[7]。

模型拟合法是通过建立多次波模型，任何该多次波模型相似的反射波都被认为是多次波噪音而被处理。此法适用于压制与一次反射波有倾角差异的长周期多次波。

图12为X船在渤海蓬莱区域采集的电火花地层剖面资料，蓬莱区域属典型的浅海环境（水深约25 m），电火花地层剖面中海底多次波发育，严重阻碍了资料的解释。图12(a)为未做多次波处理的资料，可见明显的海底二次反射，二次反射波覆盖的位置基本和水深相等，极具有规律性，二次反射波屏蔽了此处地层的一次反射波。蓬莱区域属于浅层地质灾害比较复杂的区块，断层、埋藏古河道和浅层气等灾害性地质特征发育，图中埋藏古河道的底部受海底二次反射波影响，基本无法辨识。(b)为利用预测反褶积技术处理的地层资料，可见海底二次波明显减弱。

图12 多次波处理前和处理后

2.2.5 相关滤波 对于宽频的随机干扰，带通滤波并不能完全压制噪音。相关滤波技术是利用地震子波与反射波的相关性较强，而与随机干扰噪音互不相关的特点来压制噪音提高地震记录的信噪比。相关滤波的关键在于提取的地震子波与有效反射波的相关程度。中浅地层剖面系统中的直达波是指由震源激发，通过海水直接传播到接收电缆的地震波。由于海水对地震波的吸收效应相对较弱，且直达波的传播距离相对较短、传播稳定、受污染少、波形形变较小，与震源子波较为接近，因此可以利用直达波来提取地震子波。地震资料处理的相关滤波就是利用地震子波与反射波之间相关性较强，而与非相干噪音之间互不相关的特点来有效地压制噪音。因此可以利用直达波提取的地震子波进行相关滤波。未设置延时记录的剖面资料中有直达波信号，利用直达波提取地震子波信号进行相关分析。为获得高质量的地震子波，相关滤波处理前测线数据应当进行涌浪校正、增益和带通滤波，消除低频噪音等对直达波的影响。实际作业中，相关滤波是一项较为繁琐的工作，消耗的时间较多，并不常用，只在复杂区块和资料质量要求较高时采用。

3 结论

（1）立体震源和多道接收水听器既可以压制随机噪音、鬼波（虚反射）和多次波，还能获得更丰富的地层剖面数据，是中浅地层剖面震源和接收水听器的发展方向。

（2）涌浪校正、增益和带通滤波是最常用的处理方法，基本可以降低涌浪、能量衰减和设备互扰的影响，满足一般数据处理要求。

（3）对于多次波和宽频随机噪音的压制，预测反褶积、模型拟合法和相关滤波可以取得较好效果，但是，这些处理方法耗时相对较多，适合需要精细处理的中浅地层剖面数据。

（4）用好“只记不发”和“控制变量法”实验方法。不同船舶，不同海况条件下，噪音会有很大变化，实际作业时，采用“只记不发”和“控制变量法”的方式记录船舶等背景噪音，分析频谱等特征，为室内资料处理提供可靠的滤波参数，最大限度地压制噪音并保留有效信号。

（5）最大限度地保留原始数据，特别是直达波，直达波对于地震子波分析和相关滤波处理非常重要。

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Study on the Method and Application of Quality Improvement in Shallow Stratum Profile

TAO Hua,LI Yan-jie
Geophysical-China Oilfield Services Limited,Tianjin 300459,China

Shallow stratum profile equipment is widely used in marine engineering survey.It has the advantages of high portability,high efficiency,high frequency and high resolution.The random noise,multiple waves and some other factors may reduce the profile quality and resolution seriously,so practical operation largely depends on sea states.This paper analyzes the data processing and equipment upgrading of shallow stratum profile,and puts forward several kinds of methods to suppress noise and improve the quality of data.The dimensional source broadens the frequency band of shallow stratum profile,obtaining deeper profile and higher resolution.Multichannel receiving system data are more conducive to indoor data processing.For the shallow stratum profile data,researcher should firstly identify the source and characteristics of noise.Secondly,the bandpass filter,predictable deconvolution and related filter should be properly dealt with,so as to obtain high-quality shallow stratum profile.

shallow stratum profile;random noise;surge correction;bandpass filter;predictable deconvolution;related filter

P714+.6

A

1003-2029（2017）05-0135-06

10.3969/j.issn.1003-2029.2017.05.021

2017-04-18

陶华（1983-），男，工程师，主要从事海洋工程勘察的作业及研究。E-mail:th20060718@163.com